Волновые свойства квантовых частиц и возможность преодоления ими потенциальных барьеров – туннелирование.
Для квантовой частицы ее импульс связан с ее длиной волны, а говорить о длине волны в данной точке пространства бессмысленно. Поэтому для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее координат и импульса. Если частица занимает точно определенное положение в пространстве, то ее импульс полностью неопределен и наоборот, частица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату.
Из принципа неопределенности следует, что в области квантовых явлений неправомерна постановка некоторых вопросов, вполне естественных для классической физики. Так, например, не имеет смысла говорить о движении частицы по определенной траектории. Не все физические величины, характеризующие систему, могут быть измерены одновременно.
Уникальным свойством квантовых частиц, в том числе и электронов, является их способность проникать через преграду даже в случаях, когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Это было названо туннелированием. Будь электрон классической частицей, обладающей энергией E, он, встретив на своем пути преграду, требующую для преодоления большей энергии U, должен был бы отразиться от этой преграды. Однако как волна он хотя и с потерей энергии, но проходит через эту преграду. Соответствующая волновая функция, а через нее и вероятность туннелирования рассчитываются из уравнения Шрёдингера
Эта вероятность тем выше, чем геометрически тоньше барьер и меньше разница между энергией падающего электрона и высотой барьера.
Явление туннелирования лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т. д.
|
Туннелирование электрона с энергией E через потенциальный барьер высотой U, U > E |
Вынужденное излучение и квантовое усилители (генераторы) излучения – лазеры.
Представление о квантовых энергетических уровнях атомов было введено в физику Н. Бором в 1913 г. Оно очень естественно объяснило линейчатые атомные спектры как результат процессов спонтанного (самопроизвольного) излучения и резонансного (избирательного) поглощения света атомами (рис. 361, а и б). В 1919 г. Эйнштейн показал, что наряду с процессами спонтанного излучения и резонансного поглощения существует третий процесс — вынужденное (индуцированное) излучение. По Эйнштейну свет резонансной частоты, т. е. той частоты, которую атомы способны поглощать, переходя на более высокий энергетический уровень, должен вызывать высвечивание атомов, уже находящихся на этом верхнем уровне (рис, 361, в), если таковые имеются в среде.
Характерная особенность вынужденного излучения состоит в том, что испускаемый свет неотличим от вынуждающего света, т. е. совпадает с ним по всем признакам — по частоте, фазе, поляризации и направлению распространения. Это означает, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты, какие уводит из него резонансное поглощение. Поэтому на опыте проявляется только разность поглощенного и вынужденного излучения. Поглощают свет атомы, находящиеся на нижнем из двух участвующих в игре уровней, излучают же атомы, находящиеся на верхнем уровне. Ввиду этого, если среда содержит на нижнем уровне больше атомов, чем на верхнем, то преобладает поглощение и световой пучок ослабляется средой. Напротив, если больше населен верхний уровень, то преобладает вынужденное излучение и среда усиливает проходящий свет. В последние годы это явление получило применение в очень перспективных приборах — квантовых усилителях и генераторах света.
К лазеру – отличная статья тут:
http://ru.science.wikia.com/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80
Ла́зер (англ LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, «Усиление света с помощью вынужденного излучения») — устройство, использующее квантовомеханический эффект вынужденного (стимулированного) излучения для создания когерентного потока света.
Лазерное излучение (явление) состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона не поглощая его, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (излучённый фотон является «точной копией» фотона, который его «спровоцировал»). Таким образом происходит усиление светового потока электромагнитного излучения. В отличие от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайное направление распространения, в данном случае имеет место излучения направленного усиленного луча через поляризацию и одинаковую фазу колебания.
Излучение лазера может быть настолько мощным, что им можно резать сталь и другие металлы. Несмотря на то, что луч лазера можно сфокусировать в очень маленькую точку, она всегда будет иметь конечный ненулевой размер благодаря дифракции. С другой стороны, размер сфокусированного лазерного луча всегда будет значительно меньше луча, созданного любым другим способом.
Все лазеры состоят из трёх основных частей:
активной (рабочей) среды;
системы накачки (источник энергии);
оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).
